JP2010145674A - Image display device and head mount display - Google Patents

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JP2010145674A JP2008321858A JP2008321858A JP2010145674A JP 2010145674 A JP2010145674 A JP 2010145674A JP 2008321858 A JP2008321858 A JP 2008321858A JP 2008321858 A JP2008321858 A JP 2008321858A JP 2010145674 A JP2010145674 A JP 2010145674A
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optical
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Tetsuya Noda
哲也 野田
Yoshie Shimizu
佳恵 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image display device and a head mount display, observing an external field brightly while satisfactorily improving visibility of an image. <P>SOLUTION: External light of the specified wavelength range which contains the same wavelength range as that of the image light made incident to an optical pupil is dimmed by means of a dimming shutter. Hence, light components of the same system color as the image light made incident to the optical pupil are dimmed from the external light, and the observed external field is colored with colors different from a display image to produce a hue difference between the display image and the external field. Based on the hue difference in addition to a luminance difference produced by dimming the external light, the visibility of the display image is then satisfactorily improved. The external light is dimmed only in the specified wavelength range in the visible light region by means of the dimming shutter and, an observer can observe the external field overwhelmingly brightly via the dimming shutter and an optical path combiner as compared with the case where the transmittance over the whole range of visible light region is reduced. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、反射透過特性を有する光学素子を光路コンバイナとして用い、表示素子の表示像と外界とを同時に重ね合わせて観察可能な映像観察装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。   The present invention uses an optical element having reflection / transmission characteristics as an optical path combiner, and an image observation apparatus capable of observing a display image of the display element and the outside simultaneously, and a head mounted display (hereinafter referred to as a head mounted display) including the image display apparatus. , Also referred to as HMD).

透明基材上に形成された反射透過特性を有する膜を用い、表示素子からの映像光を観察者の瞳の方向に反射すると同時に外界光を透過させ、映像(虚像)と外界とを重ね合わせて視認させる装置として、HUD(ヘッドアップディスプレイ)やHMDと呼ばれる装置がよく知られている。このような映像と外界とを同時に観察可能なシースルーの装置を使用すれば、前方の外界から視線をそらせることなく、表示される必要な情報を追加で観察することが可能であり、様々なシーンで非常に有用である。   Using a film with reflection and transmission characteristics formed on a transparent substrate, the image light from the display element is reflected in the direction of the observer's pupil, and at the same time the external light is transmitted, and the image (virtual image) and the external environment are superimposed. Devices known as HUD (Head Up Display) and HMD are well known as devices for visual recognition. By using a see-through device that can observe the image and the outside world at the same time, it is possible to additionally observe the necessary information displayed without diverting the line of sight from the outside world in front of various scenes. Is very useful.

しかしながら、シースルーの装置においては、外界が明るいときに表示映像を観察しにくいので、映像の視認性を向上させる何らかの工夫が必要となる。映像の視認性を向上させるためには、接眼光学系の外界側にシロクロの(カラーフィルタを持たない)液晶シャッタを設け、液晶で外界光の透過率を下げて映像の視認性を上げる手法が一般的である。例えば、特許文献1では、TN液晶あるいはSTN液晶を遮光シャッタとして用いた映像表示装置が提案されている。この映像表示装置では、可視光領域全域において透過率を一律に可変でき、可視光の波長領域全域にわたって透過率を一律に下げることによって、映像の視認性を向上させている。   However, in a see-through device, it is difficult to observe a display image when the outside is bright, and thus some device for improving the visibility of the image is required. In order to improve the visibility of the image, there is a method of providing a white (without color filter) liquid crystal shutter on the outside side of the eyepiece optical system and increasing the visibility of the image by reducing the transmittance of outside light with the liquid crystal. It is common. For example, Patent Document 1 proposes a video display device using TN liquid crystal or STN liquid crystal as a light-shielding shutter. In this video display device, the transmittance can be uniformly changed over the entire visible light region, and the visibility of the video is improved by uniformly reducing the transmittance over the entire visible light wavelength region.

一方、波長選択性・角度選択性のあるコンバイナを用いれば、高コントラストの映像が得られるという報告もある。例えば特許文献2では、コレステリック液晶をコンバイナに用いたシースルー型の映像表示装置が提案されている。コレステリック液晶は波長選択性・角度選択性があり、特定の入射角に対して限られた狭い帯域の光を反射する。したがって、コンバイナで反射する映像光と同一波長の外光は、コンバイナで外側に反射(減光)されるため、高コントラストな映像が得られるというものである。   On the other hand, there is a report that a high-contrast image can be obtained by using a combiner having wavelength selectivity and angle selectivity. For example, Patent Document 2 proposes a see-through video display device using a cholesteric liquid crystal as a combiner. Cholesteric liquid crystal has wavelength selectivity and angle selectivity, and reflects light in a narrow band limited to a specific incident angle. Accordingly, external light having the same wavelength as the image light reflected by the combiner is reflected (dimmed) outward by the combiner, so that a high-contrast image can be obtained.

特許3354008号公報Japanese Patent No. 3354008 特許2564366号公報Japanese Patent No. 2564366

ところが、特許文献1の構成では、映像の視認性を向上させるべく、可視光の波長領域全域にわたって透過率を一律に下げるため、シースルーで観察される外界が非常に暗くなる。   However, in the configuration of Patent Document 1, in order to improve the visibility of an image, the transmittance is uniformly reduced over the entire wavelength region of visible light, so the outside world observed through see-through becomes very dark.

また、特許文献2のように、映像の視認性を向上させるべく、波長選択性・角度選択性のあるコンバイナを用いるだけでは、映像光が入射する光学瞳の大きさを考慮すると、映像光と同一波長の外光も光学瞳に入射し、映像光の視認性を向上させるには十分でない。以下、この点についてさらに説明する。   Further, as described in Patent Document 2, in order to improve the visibility of an image, only by using a combiner having wavelength selectivity and angle selectivity, considering the size of the optical pupil on which the image light is incident, External light of the same wavelength also enters the optical pupil and is not sufficient to improve the visibility of the image light. Hereinafter, this point will be further described.

特許文献2の構成において、上記した「コンバイナで反射する映像光と同一波長の外光は、コンバイナで外側に反射されるため、高コントラストな映像が得られる」という理論は、光学瞳の大きさが1点のみ(すなわち光学瞳の大きさがほとんどゼロ)と仮定した場合にのみ成り立つ。実際には、光学瞳には大きさがあり、その瞳径に入射する全ての光を考慮しなければならない。   In the configuration of Patent Document 2, the theory that “the external light having the same wavelength as the image light reflected by the combiner is reflected to the outside by the combiner so that a high-contrast image can be obtained” is the size of the optical pupil. Is valid only when it is assumed that there is only one point (ie, the size of the optical pupil is almost zero). In practice, the optical pupil has a size, and all light incident on the pupil diameter must be taken into account.

例えば図10に示すように、光学瞳Eの大きさを考慮すると、瞳中心に向かう外界光および瞳端に向かう外界光はともに、コンバイナ101に対してほぼ同一角度で入射する。これに対して、コンバイナ101は光学瞳Eに近接して配置されているため、瞳中心に入射する映像光と瞳端に入射する映像光とでは、コンバイナ101上での反射角が異なる。コンバイナ101は波長選択性・角度選択性を有しているので、反射角が異なると光学瞳Eに入射する映像光波長が異なる。すなわち、光学瞳Eには、外界光とはコンバイナ101上での反射角が異なる映像光も入射するため、光学瞳Eに入射する全ての映像光波長と同じ波長の外界光をコンバイナ101で遮光することができない(光学瞳Eに入射する映像光の波長帯域のほうが、光学瞳Eに入射する外界光の内コンバイナ101で遮光される外界光の波長帯域よりも広い)。したがって、コンバイナ101を用いるのみでは、映像光の視認性を向上させるには十分ではない。   For example, as shown in FIG. 10, when the size of the optical pupil E is taken into consideration, both the external light toward the pupil center and the external light toward the pupil end are incident on the combiner 101 at substantially the same angle. On the other hand, since the combiner 101 is disposed close to the optical pupil E, the reflection angle on the combiner 101 differs between the image light incident on the pupil center and the image light incident on the pupil end. Since the combiner 101 has wavelength selectivity and angle selectivity, the image light wavelength incident on the optical pupil E differs depending on the reflection angle. That is, since image light having a reflection angle on the combiner 101 different from that of the external light is also incident on the optical pupil E, the external light having the same wavelength as all the image light wavelengths incident on the optical pupil E is blocked by the combiner 101. (The wavelength band of the image light incident on the optical pupil E is wider than the wavelength band of the external light blocked by the inner combiner 101 of the external light incident on the optical pupil E). Therefore, using only the combiner 101 is not sufficient to improve the visibility of the image light.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、映像の視認性を十分に向上させながら、外界を明るく観察することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたHMDとを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a video display device capable of brightly observing the outside world while sufficiently improving the visibility of the video, and the video. To provide an HMD including a display device.

本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を反射させて光学瞳に導くとともに、外界光を透過させて光学瞳に導く光路コンバイナとを備え、光学瞳の位置にて、表示映像とともに外界をシースルーで観察させる映像表示装置であって、上記光路コンバイナに対して光学瞳とは反対側に配置され、外界光の透過率を低下させる減光手段をさらに備え、上記減光手段は、可視光領域のうち、光学瞳に入射する映像光と同じ波長域を含む特定波長域の透過率を、特定波長域以外の波長域の透過率よりも低下させることを特徴としている。   An image display apparatus of the present invention includes a display element that displays an image, and an optical path combiner that reflects image light from the display element and guides it to the optical pupil, and transmits external light to the optical pupil, An image display device for observing the outside world in a see-through manner together with a display image at the position of the pupil, the dimming means disposed on the side opposite to the optical pupil with respect to the optical path combiner and reducing the transmittance of the outside light The dimming means further comprises a transmittance in a specific wavelength region including the same wavelength region as the image light incident on the optical pupil in the visible light region, which is lower than the transmittance in a wavelength region other than the specific wavelength region. It is characterized by that.

本発明の映像表示装置において、上記減光手段における外界光の透過率が最大値と最小値との中間値となる波長幅をW1とし、光学瞳に入射する映像光の最大強度の半値波長幅をW2とすると、
2<W1≦100nm
であることが望ましい。
The video display device of the present invention, the wavelength width as the intermediate value of the transmittance of the external light is the maximum value and the minimum value in the dimming means and W 1, the maximum intensity of the image light entering the optical pupil half wavelength When the width W 2,
W 2 <W 1 ≦ 100 nm
It is desirable that

本発明の映像表示装置において、上記光路コンバイナは、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であり、上記ホログラム光学素子の回折反射波長域は、上記特定波長域に含まれており、上記ホログラム光学素子の回折効率の半値波長幅をW3とすると、
3W3≦W1
であることが望ましい。
In the video display device of the present invention, the optical path combiner is a volume phase type reflection type hologram optical element, and a diffraction reflection wavelength range of the hologram optical element is included in the specific wavelength range, and the hologram optical If the half-value wavelength width of the diffraction efficiency of the element is W 3 ,
3W 3 ≦ W 1
It is desirable that

本発明の映像表示装置において、上記特定波長域は、赤、緑、青のいずれかの波長域であることが望ましい。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the specific wavelength range is any one of red, green, and blue.

本発明の映像表示装置において、上記減光手段は、標準光源の一つであるC光源の光が入射したときに、透過光の彩度が(LCh表色系で)10以上となることが望ましい。   In the video display device of the present invention, the dimming means may have a saturation of transmitted light of 10 or more (in the LCh color system) when light from a C light source that is one of the standard light sources is incident. desirable.

本発明の映像表示装置において、光学瞳に入射する外界光と、光学瞳に入射する映像光との、LCh表色系における色相角度差をΔhとすると、
45°≦Δh≦315°
であることが望ましい。
In the video display device of the present invention, when the hue angle difference in the LCh color system between the external light incident on the optical pupil and the video light incident on the optical pupil is Δh,
45 ° ≦ Δh ≦ 315 °
It is desirable that

本発明の映像表示装置において、
135°≦Δh≦225°
であることがさらに望ましい。
In the video display device of the present invention,
135 ° ≦ Δh ≦ 225 °
It is further desirable that

本発明の映像表示装置において、上記減光手段における上記特定波長域の透過率が可変であることが望ましい。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the transmittance in the specific wavelength range in the dimming means is variable.

本発明の映像表示装置において、上記減光手段は、ゲストホスト液晶を用いた液晶素子であってもよい。   In the video display device of the present invention, the dimming means may be a liquid crystal element using guest-host liquid crystal.

本発明の映像表示装置において、上記減光手段は、カイラルネマティック液晶を用いた液晶素子であってもよい。   In the video display device of the present invention, the dimming means may be a liquid crystal element using chiral nematic liquid crystal.

本発明の映像表示装置において、上記減光手段は、選択的に使用可能に複数設けられており、各減光手段の上記特定波長域は、互いに異なっている構成であってもよい。   In the video display device of the present invention, a plurality of the dimming means may be provided so as to be selectively usable, and the specific wavelength ranges of the dimming means may be different from each other.

本発明の映像表示装置は、上記表示素子からの映像光を内部で全反射させて導光する光学部材をさらに有しており、上記光路コンバイナは、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であり、上記ホログラム光学素子は、上記光学部材内部を導光される上記表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導く構成であってもよい。   The image display apparatus of the present invention further includes an optical member that guides the image light from the display element by totally reflecting the light inside, and the optical path combiner is a volume phase type reflection type hologram optical element. In addition, the hologram optical element may be configured such that image light from the display element guided through the optical member is diffracted and reflected and guided to the optical pupil.

本発明の映像表示装置において、上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系の少なくとも一部を構成していてもよい。   In the image display device of the present invention, the hologram optical element has an axially asymmetric positive optical power and constitutes at least a part of an eyepiece optical system that guides image light from the display element to an optical pupil. May be.

本発明のHMDは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴としている。   The HMD of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.

本発明によれば、減光手段により、光学瞳に入射する映像光と同じ波長域を含む特定波長域の外界光が減光される(透過率が低下する)。これにより、光学瞳に入射する映像光と同系色の光成分が外界光から減光されるので、観察される外界(背景)は表示映像(虚像)とは異なる色に着色され、表示映像と外界とで色相差が生じる。したがって、外界光が減光されることによる輝度差に加え、上記の色相差により、表示映像の視認性を十分に向上させることができる。なお、減光手段としては、例えば、可視光領域のうちの特定波長域のみ透過率を低下させる液晶シャッタやカラーフィルタを用いることができる。   According to the present invention, the external light in a specific wavelength region including the same wavelength region as the image light incident on the optical pupil is attenuated (the transmittance is reduced) by the dimming means. As a result, the light component having the same color as the image light incident on the optical pupil is attenuated from the external light, so that the observed external environment (background) is colored in a different color from the display image (virtual image). A hue difference occurs with the outside world. Therefore, in addition to the luminance difference due to the attenuation of external light, the above-described hue difference can sufficiently improve the visibility of the display image. For example, a liquid crystal shutter or a color filter that reduces the transmittance only in a specific wavelength region in the visible light region can be used as the dimming unit.

また、光学瞳に入射する映像光の波長域よりも、外界光の減光波長域である特定波長域のほうが(映像光の波長域を含んで)広いので、例えば、光学瞳が一定の大きさを持っており、かつ、光学瞳における映像光の入射位置ごとに映像光の主波長(強度が最も高い波長)が変動する場合でも、その映像光と同系色の光成分を外界光から減光することができる。したがって、一定の大きさを持つ光学瞳の面内でどの位置に観察者の瞳を位置させても、表示映像の視認性を十分に向上させることができる。   In addition, since the specific wavelength range (including the wavelength range of the image light) that is the attenuation wavelength range of the external light is wider than the wavelength range of the image light incident on the optical pupil, for example, the optical pupil is a certain size. Even if the main wavelength of the image light (the wavelength with the highest intensity) fluctuates for each incident position of the image light in the optical pupil, the light component of the same color as the image light is reduced from the external light. Can be light. Therefore, the visibility of the display image can be sufficiently improved regardless of the position of the observer's pupil in the plane of the optical pupil having a certain size.

また、減光手段により、可視光領域のうちの特定波長域のみ外界光が減光されるので(可視光領域全体にわたって外界光が減光されないので)、従来の可視光領域全域の透過率を低下させる減光手段を使用した場合と比較して、減光手段および光路コンバイナを介して、観察者は外界を圧倒的に明るく観察することができる。   Moreover, since the external light is attenuated only in a specific wavelength region in the visible light region by the dimming means (because the external light is not attenuated over the entire visible light region), the transmittance of the entire visible light region in the past can be increased. Compared with the case where the dimming means for reducing is used, the observer can observe the outside world overwhelmingly brightly through the dimming means and the optical path combiner.

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。まず、本発明の映像表示装置のポイントについて説明し、その後、これをHMDに適用した具体例について説明する。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the point of the video display device of the present invention will be described, and then a specific example in which this is applied to the HMD will be described.

(1.映像表示装置について)
図1は、本発明の映像表示装置1の構成を模式的に示す説明図である。この映像表示装置1は、表示素子2と、光路コンバイナ3と、減光シャッタ4とを有している。
(1. About video display device)
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a configuration of a video display device 1 of the present invention. The video display device 1 includes a display element 2, an optical path combiner 3, and a dimming shutter 4.

表示素子2は、光源(図示せず)からの光を画像データに基づいて変調することにより映像を表示する光変調素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。表示素子2から出射される映像光は、本実施形態では単色光となっている。したがって、映像光を例えば緑(G)の色光とする場合は、G光を射出するLEDを光源として用いて表示素子2を照明する構成としてもよいし、Gのカラーフィルタを有する表示素子2を白色光で照明する構成としてもよい。   The display element 2 is a light modulation element that displays an image by modulating light from a light source (not shown) based on image data, and is composed of, for example, a transmissive liquid crystal display element. In this embodiment, the image light emitted from the display element 2 is monochromatic light. Therefore, when the image light is, for example, green (G) color light, the display element 2 may be illuminated using an LED that emits G light as a light source, or the display element 2 having a G color filter may be used. It is good also as a structure illuminated with white light.

減光シャッタ4は、光路コンバイナ3に対して光学瞳Eとは反対側に配置され、外界光の透過率を低下させる減光手段であるが、その詳細については後述する。減光シャッタ4としては、後述する特定波長域(例えばGの映像光の波長域を含む)の光を吸収あるいは反射する部材を用いることができ、例えば、所定の色光を吸収するカラーフィルタ、後述するゲストホスト液晶やカイラルネマティック液晶を用いた液晶素子等、を採用することができる。   The dimming shutter 4 is a dimming unit that is disposed on the side opposite to the optical pupil E with respect to the optical path combiner 3 and reduces the transmittance of external light. The details will be described later. As the light-reducing shutter 4, a member that absorbs or reflects light in a specific wavelength range (for example, including the G image light wavelength range) described later can be used. For example, a color filter that absorbs predetermined color light, which will be described later. A guest host liquid crystal or a liquid crystal element using chiral nematic liquid crystal can be employed.

光路コンバイナ3は、表示素子2からの映像光を反射させて光学瞳Eに導くとともに、外界光を透過させて光学瞳Eに導く光学部材である。したがって、観察者は、光学瞳Eの位置にて、光路コンバイナ3を介して表示映像の虚像を観察できると同時に、減光シャッタ4および光路コンバイナ3を介して外界をシースルーで観察することができる。   The optical path combiner 3 is an optical member that reflects video light from the display element 2 and guides it to the optical pupil E, and transmits external light and guides it to the optical pupil E. Therefore, the observer can observe the virtual image of the display image through the optical path combiner 3 at the position of the optical pupil E, and at the same time can observe the outside world through the dimming shutter 4 and the optical path combiner 3 in a see-through manner. .

光路コンバイナ3は、反射と透過の両方の機能を有していればよく、例えば、ハーフミラー、層状に干渉縞が記録された反射型ホログラム(HOE)、多層膜等で構成することができる。中でも、反射型HOEや多層膜等、任意の波長域の光のみを反射可能な波長選択性のあるコンバイナを用いることが望ましい。反射波長を映像光波長と一致させることで、映像光を明るく観察することができるとともに、反射波長以外の外界光を透過させることができるので、外界光も明るく観察することができる。   The optical path combiner 3 only needs to have both functions of reflection and transmission. For example, the optical path combiner 3 can be composed of a half mirror, a reflection hologram (HOE) in which interference fringes are recorded in layers, a multilayer film, and the like. In particular, it is desirable to use a wavelength selective combiner that can reflect only light in an arbitrary wavelength region, such as a reflective HOE or a multilayer film. By matching the reflection wavelength with the image light wavelength, the image light can be observed brightly, and external light other than the reflection wavelength can be transmitted, so that the external light can also be observed brightly.

特に、体積位相型で反射型のHOEを用いることにより、反射波長域の狭い光路コンバイナ3を容易に作製することが可能である。体積位相型で反射型のHOEは、可干渉性の光による干渉露光により作製されるが、用いる材料の屈折率差(Δnd)や、作製条件(露光量、露光後処理(温度))等により、反射波長域を任意に制御することが可能である。このような用途に用いられるHOEを作製するためのホログラム感光材料としては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどが挙げられるが、中でもドライプロセスで製造できるフォトポリマーが望ましい。   In particular, it is possible to easily produce an optical path combiner 3 having a narrow reflection wavelength region by using a volume phase type reflection type HOE. Volume phase type reflection type HOEs are manufactured by interference exposure with coherent light. Depending on the refractive index difference (Δnd) of materials used, manufacturing conditions (exposure amount, post-exposure processing (temperature)), etc. The reflection wavelength range can be arbitrarily controlled. Holographic photosensitive materials for producing HOE used for such applications include photopolymers, silver salt materials, dichromated gelatin, and the like, among which photopolymers that can be manufactured by a dry process are desirable.

(2.減光シャッタについて)
次に、減光シャッタ4の詳細について説明する。
(2. About dimming shutter)
Next, details of the dimming shutter 4 will be described.

<減光シャッタの波長特性について>
図2(a)は、減光シャッタ4の透過率の波長特性を示す説明図であり、図2(b)は、外界光の波長特性を示す説明図であり、図2(c)は、光学瞳Eに入射する映像光と外界光の波長特性を示す説明図である。なお、図2(b)(c)の縦軸の光強度は、最大強度で規格化している。
<About the wavelength characteristics of the dimming shutter>
2A is an explanatory view showing the wavelength characteristic of the transmittance of the light reducing shutter 4, FIG. 2B is an explanatory view showing the wavelength characteristic of the external light, and FIG. It is explanatory drawing which shows the wavelength characteristic of the image light which injects into the optical pupil E, and external light. In addition, the light intensity of the vertical axis | shaft of FIG.2 (b) (c) is normalized with the maximum intensity | strength.

減光シャッタ4は、可視光領域のうち、光学瞳Eに入射する映像光と同じ波長域を含む特定波長域の外界光の透過率を、特定波長域以外の波長域の透過率よりも低下させる。例えば、光路コンバイナ3で反射して光学瞳Eに到達する映像光がGの単色光で、映像光のピーク波長(光強度がピークとなる波長)が520nmであり、映像光の半値幅が15nmであるとき、減光シャッタ4は、特定波長域として480〜560nmの帯域の外界光の透過率を、特定波長域以外の波長域の透過率よりも低下させる。なお、特定波長域の波長幅は、図2(a)における波長幅W1(nm)を指す。波長幅W1は、減光シャッタ4における外界光の透過率の最大値をa(%)とし、最小値をb(%)としたときに、透過率が最大値と最小値との中間値((a+b)/2)となるときの波長幅である。また、映像光の半値幅15nmは、図2(c)において、光学瞳Eに入射する映像光の最大強度の半値波長幅W2(nm)を指す。これにより、以下の作用効果を得ることができる。 The dimming shutter 4 reduces the transmittance of external light in a specific wavelength region including the same wavelength region as the image light incident on the optical pupil E in the visible light region, compared to the transmittance in a wavelength region other than the specific wavelength region. Let For example, the image light reflected by the optical path combiner 3 and reaching the optical pupil E is G monochromatic light, the peak wavelength of the image light (the wavelength at which the light intensity reaches a peak) is 520 nm, and the half width of the image light is 15 nm. In this case, the dimming shutter 4 lowers the transmittance of external light in the band of 480 to 560 nm as the specific wavelength region, compared to the transmittance in the wavelength region other than the specific wavelength region. The wavelength width of the specific wavelength band refers to the wavelength width W 1 (nm) in FIG. 2 (a). The wavelength width W 1 is an intermediate value between the maximum value and the minimum value when the maximum value of the transmittance of external light in the light reducing shutter 4 is a (%) and the minimum value is b (%). The wavelength width when ((a + b) / 2). Further, the half-value width of 15 nm of the image light indicates the half-value wavelength width W 2 (nm) of the maximum intensity of the image light incident on the optical pupil E in FIG. Thereby, the following effects can be obtained.

例えば、NDフィルタやTN液晶、STN液晶等を外界光の減光シャッタとして用い、外界光の透過率を可視光の全波長領域にわたって一律に下げる構成では、外界光と映像光のとの「輝度差」により映像の視認性を向上させることができたとしても、外界光の透過率を可視光の全波長領域にわたって下げるために、外界が非常に暗く観察される。   For example, in a configuration in which an ND filter, a TN liquid crystal, an STN liquid crystal, or the like is used as a dimming shutter for external light, and the transmittance of the external light is uniformly reduced over the entire wavelength region of visible light, Even if the visibility of the image can be improved by the “difference”, the external environment is observed very darkly in order to reduce the transmittance of the external light over the entire wavelength region of visible light.

これに対して、本発明のように、可視光領域のうち、ある特定の波長範囲(上記の例では480〜560nmの波長域)の外界光のみを減光シャッタ4で減光することにより、外界光の透過率を可視光の全波長領域にわたって下げる構成に比べて、外界が暗くなる程度を低減することができ、減光シャッタ4および光路コンバイナ3を介して、観察者は外界を圧倒的に明るく観察することができる。   On the other hand, as in the present invention, by reducing only the external light in a specific wavelength range (a wavelength range of 480 to 560 nm in the above example) in the visible light region by the light reducing shutter 4, Compared with a configuration in which the transmittance of external light is lowered over the entire wavelength range of visible light, the degree of darkening of the external environment can be reduced, and the observer overwhelms the external environment via the dimming shutter 4 and the optical path combiner 3. It can be observed brightly.

また、減光シャッタ4が、映像光波長と同じ領域を含む特定波長域の外界光を減光することにより、外界光中における映像光と同系色の光成分の割合が減るので、観察される外界は映像とは異なる色(上記の例では紫色)に着色され、その色相差によっても映像の視認性が向上する。すなわち、本発明によれば、外界光と映像光との「輝度差」に加え、「色相差」を利用して、映像の視認性を十分に向上させることができる。なお、「色相差」の詳細については後述する。   Further, the dimming shutter 4 is observed because the ratio of the light component of the same color as the image light in the external light is reduced by reducing the external light in a specific wavelength region including the same region as the image light wavelength. The outside world is colored in a color different from the image (purple in the above example), and the visibility of the image is improved by the hue difference. That is, according to the present invention, it is possible to sufficiently improve the visibility of an image by using “hue difference” in addition to “luminance difference” between external light and image light. Details of the “hue difference” will be described later.

また、光学瞳Eに入射する映像光の波長域よりも、外界光の減光波長域(特定波長域)のほうが、映像光の波長域を含んで波長幅が広いので、一定の大きさを持つ光学瞳Eにおける映像光の入射位置ごとに映像光の主波長(強度が最も高い波長)が変動する場合でも、その映像光と同系色の光成分を外界光から減光することができる。したがって、一定の大きさを持つ光学瞳Eの面内でどの位置に観察者の瞳を位置させても、表示映像の視認性を十分に向上させることができる。   In addition, the light attenuation wavelength range (specific wavelength range) of the external light is wider than the wavelength range of the image light incident on the optical pupil E, including the wavelength range of the image light. Even when the main wavelength (wavelength having the highest intensity) of the image light varies for each incident position of the image light in the optical pupil E, the light component having the same color as the image light can be reduced from the external light. Therefore, the visibility of the display image can be sufficiently improved regardless of the position of the observer's pupil in the plane of the optical pupil E having a certain size.

また、「色相差」によって映像の視認性を向上させることができるので、「輝度差」のみで映像の視認性を向上させる場合に比べて、遮光波長領域(特定波長域)の透過率の低下度合いが少なくても(例えば、遮光領域の透過率が30%あったとしても)、映像の視認性を十分に向上させることが可能となる。   In addition, since the visibility of the image can be improved by the “hue difference”, the transmittance in the light shielding wavelength region (specific wavelength region) is reduced compared to the case where the visibility of the image is improved only by the “brightness difference”. Even if the degree is small (for example, even if the transmittance of the light shielding region is 30%), the visibility of the video can be sufficiently improved.

また、減光シャッタ4における特定波長域の波長幅W1は、外界光中から映像光と同系色の光成分を確実に減光するために、映像光の半値波長幅W2よりも広いことが望ましい。また、観察される外界が暗くなりすぎないように、波長幅W1は100nm程度を上限とすることが望ましい。上記の例では、W2=15nmであり、W1=560−480=80nmであり、上記の条件を満たしている。 Further, the wavelength width W 1 of the specific wavelength region in the light reducing shutter 4 is wider than the half-value wavelength width W 2 of the image light in order to surely reduce the light component of the same color as the image light from the outside light. Is desirable. Further, it is desirable that the wavelength width W 1 has an upper limit of about 100 nm so that the observed outside world does not become too dark. In the above example, W 2 = 15 nm and W 1 = 560-480 = 80 nm, satisfying the above conditions.

つまり、W2<W1を満足すれば、外界光中から映像光と同系色の光成分を確実に減光することができ、W1≦100nmを満足すれば、透過率を落とす波長域が制限されるため、外界が暗く観察されるのを回避することができる。このことから、以下の条件式を満足することが望ましいと言える。すなわち、
2<W1≦100nm
である。
In other words, if W 2 <W 1 is satisfied, the light component of the same color as the image light can be surely attenuated from the ambient light, and if W 1 ≦ 100 nm is satisfied, the wavelength range where the transmittance is reduced can be reduced. Since it is limited, it can be avoided that the outside world is observed darkly. From this, it can be said that it is desirable to satisfy the following conditional expression. That is,
W 2 <W 1 ≦ 100 nm
It is.

ところで、上記した光路コンバイナ3が体積位相型で反射型のHOEで構成される場合、上記HOEの回折反射波長域は、上記の特定波長域に含まれ、上記HOEの回折効率の半値波長幅をW3とし、減光シャッタ4が減光する特定波長域の波長幅をW1とすると、
3W3≦W1
を満足することが望ましい。その理由は以下の通りである。
By the way, when the optical path combiner 3 described above is composed of a volume phase type reflection type HOE, the diffraction reflection wavelength range of the HOE is included in the specific wavelength range, and the half-value wavelength width of the diffraction efficiency of the HOE is reduced. If W 3 is W 1 and the wavelength width of the specific wavelength region where the light reducing shutter 4 is dimmed is W 1 ,
3W 3 ≦ W 1
It is desirable to satisfy The reason is as follows.

HOEからなる光路コンバイナ3は、波長選択性・角度選択性を有するため、光路コンバイナ3上での反射角が異なると、映像光の反射波長も異なる。つまり、光学瞳Eの面内の各位置に入射する映像光のそれぞれについて、HOEでの回折効率のピーク波長は異なる。   Since the optical path combiner 3 made of HOE has wavelength selectivity and angle selectivity, when the reflection angle on the optical path combiner 3 is different, the reflection wavelength of the image light is also different. That is, the peak wavelength of the diffraction efficiency in the HOE is different for each of the video light incident on each position in the plane of the optical pupil E.

ここで、図3(a)は、光路コンバイナ3で回折反射されて光学瞳Eの中心および上下端に入射する映像光の光路を模式的に示す説明図であり、図3(b)は、光路コンバイナ3を構成するHOEの回折効率の波長特性を示す説明図である。図3(a)に示すように、光学瞳Eの大きさを考慮すると、光路コンバイナ3は光学瞳Eに近接して配置されているため、光路コンバイナ3の中心から瞳中心・瞳上端・瞳下端への反射角がそれぞれ異なり、それぞれ、反射する映像光の主波長が異なる。   Here, FIG. 3A is an explanatory diagram schematically showing the optical path of the image light that is diffracted and reflected by the optical path combiner 3 and is incident on the center and upper and lower ends of the optical pupil E, and FIG. It is explanatory drawing which shows the wavelength characteristic of the diffraction efficiency of HOE which comprises the optical path combiner 3. FIG. As shown in FIG. 3A, in consideration of the size of the optical pupil E, the optical path combiner 3 is arranged close to the optical pupil E. The reflection angles to the lower end are different, and the main wavelengths of the reflected image light are different.

例えば、HOEの回折ピーク波長が520nmであり、回折効率の半値波長幅W3が15nmであるとする。そして、HOEは、入射角30°で入射する光を反射角30°で瞳中心方向に反射するものとする。光路コンバイナ3と光学瞳Eとの距離が14mmであり、上下方向の瞳サイズが2.5mmであるとすると、瞳上端および瞳下端への反射方向は、それぞれ瞳中心に対して約5度ずれている。このとき、図3(b)に示すように、回折ピーク波長は、瞳上端に入射する光については約529nm、瞳下端に入射する光については約510nmとなり、瞳中心に入射する光についての回折ピーク波長(520nm)とそれぞれ約10nm程度異なる。 For example, it is assumed that the diffraction peak wavelength of HOE is 520 nm and the half-value wavelength width W 3 of diffraction efficiency is 15 nm. The HOE reflects light incident at an incident angle of 30 ° toward the pupil center at a reflection angle of 30 °. If the distance between the optical path combiner 3 and the optical pupil E is 14 mm and the pupil size in the vertical direction is 2.5 mm, the reflection direction to the upper end of the pupil and the lower end of the pupil is shifted by about 5 degrees with respect to the pupil center. ing. At this time, as shown in FIG. 3B, the diffraction peak wavelength is about 529 nm for the light incident on the upper end of the pupil and about 510 nm for the light incident on the lower end of the pupil, and is diffracted for the light incident on the pupil center. It differs from the peak wavelength (520 nm) by about 10 nm.

瞳中心に入射する光との角度差が大きくなるほど、上記の波長ズレは大きくなり、光学瞳Eに入射する全映像光の波長範囲は、HOEの回折効率の半値波長幅よりも広くなる(上記の例では約20nmに広がる)。このため、映像光の視認性を向上させるためには、減光シャッタ4が減光する特定波長域の波長幅W1は、HOEの回折効率の半値波長幅W3の3倍以上であることが望ましい。W1が上記した80nmであれば、W3が15nmのHOEを光路コンバイナ3として用いることにより、上記の条件式を容易に満足することができる。 As the angle difference with the light incident on the center of the pupil increases, the wavelength shift increases, and the wavelength range of the entire image light incident on the optical pupil E becomes wider than the half-value wavelength width of the diffraction efficiency of the HOE (described above). In the example of FIG. For this reason, in order to improve the visibility of the image light, the wavelength width W 1 of the specific wavelength region where the light reducing shutter 4 is dimmed is at least three times the half-value wavelength width W 3 of the diffraction efficiency of the HOE. Is desirable. If W 1 is 80 nm as described above, the above conditional expression can be easily satisfied by using HOE having W 3 of 15 nm as the optical path combiner 3.

つまり、上記の条件式を満足することにより、一定の大きさを持つ光学瞳Eの各位置に入射する映像光の全波長範囲と同じ波長範囲を含む特定波長域について、外界光の透過率を落とすことができるので、光学瞳Eの面内のどの位置に観察者の瞳が位置しても、表示映像の視認性を確実に向上させることができる。   That is, by satisfying the above conditional expression, the transmittance of the external light can be increased in a specific wavelength range including the same wavelength range as the entire wavelength range of the image light incident on each position of the optical pupil E having a certain size. Since it can be dropped, the visibility of the displayed image can be reliably improved regardless of the position of the observer's pupil in any position in the plane of the optical pupil E.

以上では、減光シャッタ4が減光する特定波長域を、Gの映像光の波長域を含むGの波長域とした例について説明したが、特定波長域は、赤(R)の映像光の波長域を含むRの波長域としてもよいし、青(B)の映像光の波長域を含むBの波長域としてもよい。つまり、特定波長域は、RGBのいずれかの波長域であってもよい。一般的な映像光は、RGBの少なくともいずれかの光で構成されるので、そのRGBのいずれかの映像光に併せて減光シャッタ4が外界光を減光することにより、表示映像の視認性を向上させることができる。   In the above description, an example in which the specific wavelength region in which the light reducing shutter 4 is dimmed is the G wavelength region including the G image light wavelength region is described. However, the specific wavelength region is the red (R) image light. The wavelength range of R including the wavelength range may be used, or the wavelength range of B including the wavelength range of blue (B) video light may be used. That is, the specific wavelength range may be any of the RGB wavelength ranges. Since general image light is composed of at least one of RGB light, the dimming shutter 4 reduces external light in combination with any of the RGB image light so that the visibility of the display image is improved. Can be improved.

<色相差について>
次に、上記した色相差について、LCh表色系を用いて説明する。図4(a)は、LCh表色系の模式的な説明図であり、図4(b)は、LCh表色系における映像光と外界光との色相角度差を示す説明図である。LCh表色系は、色を明度、彩度、色相角度を用いて表現する表色系であり、2つの色の違いを色相角度の差で表現することができる。上記した減光シャッタ4は、標準光源の一つであるC光源の光が入射したときに、透過光の彩度Cが10以上となる特性を有していることが望ましい。
<About hue difference>
Next, the above-described hue difference will be described using the LCh color system. FIG. 4A is a schematic explanatory diagram of the LCh color system, and FIG. 4B is an explanatory diagram showing a hue angle difference between image light and external light in the LCh color system. The LCh color system is a color system that expresses a color using lightness, saturation, and hue angle, and can express a difference between two colors by a difference in hue angle. The above-described dimming shutter 4 desirably has a characteristic that the saturation C of the transmitted light is 10 or more when light from a C light source that is one of the standard light sources is incident.

ここで、C光源とは、国際照明委員会(CIE)によって規定された標準光源の一つであり、6774K(ケルビン)の色温度を持つ光で、平均的な昼光に近く設定されたものを指す。標準光源の一つであるC光源等に代表される白色光や自然光のような、波長特性の小さい光(LCh表色系における彩度Cが非常に小さい光)が入射した際に、減光シャッタ4によって透過光の彩度Cが10以上となるので、減光シャッタ4を透過した(減光された)外界光の色が確実に識別可能となり、映像光と外界光との色相差による表示性能(視認性)の向上が確実に可能となる。   Here, the C light source is one of the standard light sources defined by the International Commission on Illumination (CIE), which has a color temperature of 6774K (Kelvin) and is set close to average daylight. Point to. Dimming when light with small wavelength characteristics (light with very low saturation C in the LCh color system) such as white light and natural light typified by the C light source, which is one of the standard light sources, enters. Since the saturation C of the transmitted light is 10 or more by the shutter 4, the color of the external light transmitted through the light-reducing shutter 4 (reduced) can be reliably identified, and the color difference between the image light and the external light can be determined. The display performance (visibility) can be reliably improved.

例えば、減光シャッタ4がBの波長域を特定波長域として減光する場合、特定波長域の中心波長(ピーク波長)を480nmとし、波長480nmでの減光シャッタ4の透過率を50%とし、特定波長域の波長幅を60nmとすると、彩度Cは29となる。また、減光シャッタ4がGの波長域を特定波長域として減光する場合、特定波長域の中心波長(ピーク波長)を540nmとし、波長540nmでの減光シャッタ4の透過率を45%とし、特定波長域の波長幅を80nmとすると、彩度Cは28となる。このように彩度Cが10以上の値であれば、映像の視認性を確実に向上させることができる。ちなみに、減光シャッタとして波長特性のない(可視光の全波長領域で透過率が同じ)シャッタを用いた場合、シャッタの透過率が10%、30%、50%のときの彩度Cは、それぞれ、5.3、7.6、9.0となり、いずれも10未満の非常に小さな値となるので、映像の視認性を向上させることができなくなる。   For example, when the dimming shutter 4 dimmes with the B wavelength range as the specific wavelength range, the center wavelength (peak wavelength) of the specific wavelength range is 480 nm, and the transmittance of the dimming shutter 4 at the wavelength 480 nm is 50%. If the wavelength width of the specific wavelength region is 60 nm, the saturation C is 29. Further, when the light-reducing shutter 4 is dimmed using the G wavelength region as a specific wavelength region, the central wavelength (peak wavelength) of the specific wavelength region is 540 nm, and the transmittance of the light-reducing shutter 4 at the wavelength 540 nm is 45%. If the wavelength width of the specific wavelength region is 80 nm, the saturation C is 28. Thus, if the saturation C is a value of 10 or more, the visibility of the video can be improved with certainty. By the way, when a shutter having no wavelength characteristic (the same transmittance in the entire wavelength region of visible light) is used as a dimming shutter, the saturation C when the transmittance of the shutter is 10%, 30%, and 50% is The values are 5.3, 7.6, and 9.0, respectively, which are very small values of less than 10, so that the visibility of the video cannot be improved.

また、例えば、光学瞳Eに入射する映像光を緑単色とし、映像光のピーク波長を520nmとし、映像光の半値幅を15nmとし、光学瞳Eに入射する外界光を480〜560nmの特定波長域が減光された光とする。図4(b)において、映像光と外界光の色相差、つまり、色相角度差に着目してみると、緑である映像光は色相角度が約160度の光に相当し、緑領域が減光された外界光は色相角度が約320度の紫色の光に相当する。したがって、映像光と外界光の色相角度差をΔhとすると、Δh=160度となる。   Further, for example, the image light incident on the optical pupil E is monochromatic green, the peak wavelength of the image light is 520 nm, the half width of the image light is 15 nm, and the external light incident on the optical pupil E is a specific wavelength of 480 to 560 nm. Let the light be dimmed. In FIG. 4B, when attention is paid to the hue difference between the image light and the external light, that is, the hue angle difference, the image light that is green corresponds to light having a hue angle of about 160 degrees, and the green region is reduced. The emitted external light corresponds to purple light having a hue angle of about 320 degrees. Therefore, if the hue angle difference between the image light and the external light is Δh, Δh = 160 degrees.

色相は、赤から半時計回りに45度おきに、赤、オレンジ、黄、黄緑、緑、青緑、青、紫と順に変化しており、色相角度差が45度以上315度以下であれば、色の違いを十分に認識できる。すなわち、「色相差」により映像の視認性を向上させることができる。さらに、色相角度差が135度以上225度以下であれば、互いの色は略補色の関係となり、最も視認性が向上する。   The hue changes from red to red, orange, yellow, yellow-green, green, blue-green, blue, purple in order of 45 degrees counterclockwise, and the hue angle difference is 45 degrees or more and 315 degrees or less. The color difference can be fully recognized. In other words, the visibility of the video can be improved by the “hue difference”. Furthermore, when the hue angle difference is 135 degrees or more and 225 degrees or less, the colors are in a complementary color relationship, and visibility is most improved.

つまり、45°≦Δh≦315°を満足することにより、映像光と外界光とは色相が異なるので、表示映像の視認性が向上すると言える。また、135°≦Δh≦225°をさらに満足することにより、映像光と外界光とは略補色の関係となって表示映像の視認性がより向上すると言える。   That is, by satisfying 45 ° ≦ Δh ≦ 315 °, it can be said that the visibility of the display image is improved because the hue of the image light and that of the external light are different. Further, by further satisfying 135 ° ≦ Δh ≦ 225 °, it can be said that the visibility of the display image is further improved because the image light and the external light have a substantially complementary relationship.

また、以下の条件でも、「色相差」を利用して、映像の視認性を向上させることができる。例えば、光学瞳Eに入射する映像光を緑単色とし、映像光のピーク波長を520nmとし、映像光の半値幅を15nmとする。そして、減光シャッタ4を後述するカイラルネマティック液晶を用いた液晶素子で構成し、光学瞳Eに入射する外界光を490〜570nmの特定波長域が減光された光とし、特定波長域の中心波長(ピーク波長)を540nmとし、波長540nmでの減光シャッタ4の透過率を45%とし、特定波長域の波長幅を70nmとし、外界光を標準光源(C光源)とする。この場合、減光シャッタ4を透過した外界光の彩度Cは28となり、色相角度hは350度となる。また、映像光の彩度Cは25となり、色相角度hは157度となる。   Even under the following conditions, the “hue difference” can be used to improve video visibility. For example, the image light incident on the optical pupil E is a single green color, the peak wavelength of the image light is 520 nm, and the half-value width of the image light is 15 nm. Then, the light reducing shutter 4 is composed of a liquid crystal element using a chiral nematic liquid crystal, which will be described later, and external light incident on the optical pupil E is light with a specific wavelength range of 490 to 570 nm reduced, and the center of the specific wavelength range The wavelength (peak wavelength) is set to 540 nm, the transmittance of the light reducing shutter 4 at the wavelength of 540 nm is set to 45%, the wavelength width of the specific wavelength range is set to 70 nm, and external light is used as a standard light source (C light source). In this case, the saturation C of the external light transmitted through the dimming shutter 4 is 28, and the hue angle h is 350 degrees. Further, the saturation C of the image light is 25, and the hue angle h is 157 degrees.

つまり、減光シャッタ4を透過した外界光の彩度Cは、10よりも十分に高い28であるので、外界を映像とは異なる色として十分に認識することができる。また、映像光と外界光の色相角度差Δhは、350−157=193となり、ほぼ補色の関係が得られるので、表示映像の視認性を十分に向上させることができる。   That is, the saturation C of the external light transmitted through the light reducing shutter 4 is 28, which is sufficiently higher than 10, so that the external environment can be sufficiently recognized as a color different from the image. Further, the hue angle difference Δh between the image light and the external light is 350−157 = 193, and a substantially complementary relationship is obtained, so that the visibility of the display image can be sufficiently improved.

<減光シャッタの構成について>
次に、減光シャッタ4の具体的な構成について説明する。図5は、減光シャッタ4の一構成例を示す断面図である。減光シャッタ4は、減光する特定波長域の透過率を可変する液晶素子で構成することが可能である。この液晶素子は、2つの透明な基板4a・4aと、基板4a・4a上に配置される透明な電極4b・4bと、電極4b・4bを介して基板4a・4aで挟持される液晶層4cとを有して構成されている。基板4a・4aは、ガラスで構成されてもよいが、減光シャッタ4が眼前に配置することを考慮すると、安全性の観点からプラスチックで構成されることがより望ましい。
<About the dimming shutter configuration>
Next, a specific configuration of the dimming shutter 4 will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of the light reducing shutter 4. The dimming shutter 4 can be composed of a liquid crystal element that can change the transmittance in a specific wavelength range to be dimmed. The liquid crystal element includes two transparent substrates 4a and 4a, transparent electrodes 4b and 4b disposed on the substrates 4a and 4a, and a liquid crystal layer 4c sandwiched between the substrates 4a and 4a via the electrodes 4b and 4b. And is configured. The substrates 4a and 4a may be made of glass, but it is more preferable that the substrates 4a and 4a are made of plastic from the viewpoint of safety, considering that the dimming shutter 4 is disposed in front of the eyes.

電極4b・4bへの電圧印加によって液晶層4cの液晶分子の配向状態を変化させることにより、図6に示すように、特定波長域のみ透過率を可変することができる。そして、特定波長域の透過率を低下させた減光状態と、特定波長域の透過率を高くしてそれ以外の波長域の透過率にほぼ合わせた透過状態との2つの異なる状態を切り替えることが可能となる。これにより、映像を観察しないとき(表示素子2に映像を表示させないとき)には、減光シャッタ4を透過状態にすることで、外界をより明るく、かつ、着色なく自然に観察することができる。一方、映像観察時には、先に述べたように減光シャッタ4を減光状態にすることで、映像の視認性を向上させることができる。   By changing the alignment state of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 4c by applying a voltage to the electrodes 4b and 4b, the transmittance can be varied only in a specific wavelength region as shown in FIG. Then, switching between two different states, a dimming state in which the transmittance in a specific wavelength region is reduced and a transmission state in which the transmittance in the specific wavelength region is increased to substantially match the transmittance in other wavelength regions Is possible. Thereby, when the image is not observed (when the image is not displayed on the display element 2), the external environment can be observed brightly and naturally without coloring by setting the light reducing shutter 4 to the transmission state. . On the other hand, at the time of video observation, the visibility of the video can be improved by setting the dimming shutter 4 to the dimming state as described above.

ここで、減光シャッタ4は、上記の液晶層4cとしてゲストホスト液晶やカイラルネマティック液晶を用いた液晶素子で構成することができる。以下、これらの液晶について詳細に説明する。   Here, the light-reducing shutter 4 can be composed of a liquid crystal element using guest-host liquid crystal or chiral nematic liquid crystal as the liquid crystal layer 4c. Hereinafter, these liquid crystals will be described in detail.

〔ゲストホスト液晶〕
ゲストホスト液晶は、例えば、ネマティック液晶の分子(ホスト)の中に、分子の長軸方向と短軸方向とで光の吸収特性が異なる二色性色素(ゲスト)を溶解させた液晶である。電圧印加により液晶分子の配列状態を変化させることで、ゲスト分子の配列方向を変化させて、ゲスト分子の吸収により液晶層の透過率を変化させることができる。なお、液晶層4c自身に二色性を示す液晶を用いれば、ゲストを用いることなくホストのみで同様の減光シャッタ4を作製することが可能である。
[Guest host LCD]
The guest-host liquid crystal is, for example, a liquid crystal in which nematic liquid crystal molecules (hosts) are dissolved dichroic dyes (guests) having different light absorption characteristics in the major axis direction and the minor axis direction of the molecules. By changing the alignment state of the liquid crystal molecules by applying a voltage, the alignment direction of the guest molecules can be changed, and the transmittance of the liquid crystal layer can be changed by absorption of the guest molecules. If a liquid crystal exhibiting dichroism is used for the liquid crystal layer 4c itself, the same dimming shutter 4 can be produced using only the host without using a guest.

ここで、白色光源(例えば太陽光)がゲストホスト液晶を透過する光の色は、電圧印加時はゲスト分子がホスト液晶と長軸方向を平行にそろえて配列することで屈折率が等しくなり透明となるため、光源光のままの白色となる。一方、電圧無印加時は、ゲスト分子とホスト液晶との長軸方向がそろわないことで屈折率が異なり、二色性色素に光が吸収されて色調が現れる。   Here, the color of the light transmitted through the guest-host liquid crystal by a white light source (for example, sunlight) is transparent because the guest molecules are aligned with the host liquid crystal in parallel with the major axis when the voltage is applied. Therefore, the light source light is white. On the other hand, when no voltage is applied, the refractive index differs because the long axis directions of the guest molecule and the host liquid crystal are not aligned, and light is absorbed by the dichroic dye, resulting in a color tone.

例えば青色の二色性色素を用いた場合は、その略補色である赤の波長(例えば640nm)近辺が一番透過率が低くなる。同様に、黄色の二色性色素を用いた場合は、その略補色である青の波長(例えば460nm)近辺が一番透過率が低くなり、オレンジ色の二色性色素を用いた場合は、その略補色である緑波長(例えば520nm)近辺が一番透過率が低くなる。すなわち、用いる映像光の色に応じて二色性色素を選択し、特定波長域の透過率を低下させることにより、映像光の視認性を向上させることが可能となる。   For example, when a blue dichroic dye is used, the transmittance is the lowest in the vicinity of a red wavelength (for example, 640 nm) which is a substantially complementary color. Similarly, when a yellow dichroic dye is used, the transmittance is the lowest in the vicinity of a blue wavelength (for example, 460 nm) which is a substantially complementary color, and when an orange dichroic dye is used, The transmittance is the lowest in the vicinity of a green wavelength (for example, 520 nm) which is the substantially complementary color. That is, by selecting a dichroic dye according to the color of the image light to be used and reducing the transmittance in a specific wavelength region, it is possible to improve the visibility of the image light.

二色性色素としては、アゾ系、アントラキノン系、ベンゾキノン系、ナフトキノン系、ポリメチン系、テトラジン系などが知られており、なかでもアントラキノン系の色素は二色比が高く、耐光性や溶解性などに優れており好ましい。この二色性色素の配合量は、使用する色の種類によって若干異なり、液晶成分に対して、例えば、オレンジや黄色の色素の場合は0.5〜2.0重量%で、1重量%が好ましく、青色の色素の場合は0.25〜1.0重量%で、0.5重量%が好ましい。   As dichroic dyes, azo, anthraquinone, benzoquinone, naphthoquinone, polymethine, and tetrazine dyes are known. Among them, anthraquinone dyes have a high dichroic ratio, light resistance, solubility, etc. And is preferable. The blending amount of the dichroic dye is slightly different depending on the type of color to be used. For example, in the case of an orange or yellow dye, 0.5% to 2.0% by weight and 1% by weight of the liquid crystal component In the case of a blue dye, it is preferably 0.25 to 1.0% by weight, preferably 0.5% by weight.

このように、ゲスト分子である二色性色素の種類や配合量を選択、調整することにより、任意の波長域を任意の透過率に落として減光することが可能となる。また、電圧印加により、液晶の透過率を可変でき、特定波長域の透過率を可変にすることができる。   Thus, by selecting and adjusting the type and blending amount of the dichroic dye that is the guest molecule, it is possible to reduce the light by dropping the arbitrary wavelength region to the arbitrary transmittance. Further, the transmittance of the liquid crystal can be varied by applying a voltage, and the transmittance in a specific wavelength region can be varied.

〔カイラルネマティック液晶〕
カイラルネマティック液晶は、ネマティック液晶にカイラル材料を添加することにより、室温においてコレステリック液晶相を示すようにした液晶である。カイラルネマティック液晶を用いることにより、電圧印加により、プレーナ状態(選択反射状態)とフォーカルコニック状態(透明状態)とを切り替えることができ、液晶の透過率を可変にすることができる。さらに、電圧印加を止めても、上記2つの状態を安定して保持することが可能なので(メモリー性があるので)、省電力である。
[Chiral Nematic LCD]
The chiral nematic liquid crystal is a liquid crystal that exhibits a cholesteric liquid crystal phase at room temperature by adding a chiral material to the nematic liquid crystal. By using a chiral nematic liquid crystal, a planar state (selective reflection state) and a focal conic state (transparent state) can be switched by applying a voltage, and the transmittance of the liquid crystal can be made variable. Furthermore, even if the voltage application is stopped, the above two states can be stably maintained (because of the memory property), so that power is saved.

ここで、上記のネマティック液晶としては、例えば、従来知られている液晶性エステル化合物、液晶性ピリミジン化合物、液晶性シアノビフェニル化合物や、フッ素原子、フルオロアルキル基、シアノ基等の極性基を有する液晶性化合物等を単一、あるいは混合して使用することができる。   Here, examples of the nematic liquid crystal include conventionally known liquid crystal ester compounds, liquid crystal pyrimidine compounds, liquid crystal cyanobiphenyl compounds, and liquid crystals having polar groups such as fluorine atoms, fluoroalkyl groups, and cyano groups. A single compound or a mixture of these can be used.

一方、添加するカイラル材としては、例えば、コレステリック環を有するコレステリック液晶、カイラルネマティック液晶、その他、液晶性は示さないがネマティック液晶の分子をねじる作用を有する有機化合物を使用することができる。例えば、ビフェニル化合物、ターフェニル化合物、エステル化合物、ピリミジン化合物、アゾキシ化合物などでネマティック液晶分子に層状のヘリカル構造(液晶分子の螺旋構造に沿って液晶分子が360°回転した分子構造)を与えるものを使用できる。また、化合物の末端基に光学活性基を有する市販のカイラル材料を用いることもでき、コレステリックノナノレートに代表されるコレステリック環を有するコレステリック液晶も使用することができる。   On the other hand, as the chiral material to be added, for example, a cholesteric liquid crystal having a cholesteric ring, a chiral nematic liquid crystal, or an organic compound that does not exhibit liquid crystallinity but has a function of twisting nematic liquid crystal molecules can be used. For example, biphenyl compounds, terphenyl compounds, ester compounds, pyrimidine compounds, azoxy compounds, etc. that give nematic liquid crystal molecules a layered helical structure (a molecular structure in which liquid crystal molecules rotate 360 ° along the helical structure of liquid crystal molecules) Can be used. A commercially available chiral material having an optically active group at the terminal group of the compound can also be used, and a cholesteric liquid crystal having a cholesteric ring typified by cholesteric nonanolate can also be used.

カイラルネマティック液晶は、カイラルドーパント(カイラル材)のネマティック液晶への添加量を変えることにより、カイラルネマティック液晶の螺旋構造のピッチを変化させることができ、これにより液晶の選択反射波長域を変化させる(制御する)ことができる。例えば、カイラル材として、MLC-6247、R1011(いずれもメルク社製)をそれぞれ液晶組成物の全量に対して8.91重量%、4.50重量%含有させると、470nm付近の波長の光を選択反射させることができる。また、カイラル材として、MLC-6247、R1011(いずれもメルク社製)をそれぞれ液晶組成物の全量に対して4.20重量%、5.26重量%含有させると、550nm付近の波長の光を選択反射させることができる。さらに、カイラル材として、MLC-6247、S1011(いずれもメルク社製)をそれぞれ液晶組成物の全量に対して8.73重量%、2.36重量%含有させると、660nm付近の波長の光を選択反射させることができる。   The chiral nematic liquid crystal can change the pitch of the spiral structure of the chiral nematic liquid crystal by changing the addition amount of the chiral dopant (chiral material) to the nematic liquid crystal, thereby changing the selective reflection wavelength region of the liquid crystal ( Control). For example, when MLC-6247 and R1011 (both manufactured by Merck & Co., Inc.) are contained as chiral materials in an amount of 8.91% by weight and 4.50% by weight, respectively, with respect to the total amount of the liquid crystal composition, light having a wavelength near 470 nm is emitted. It can be selectively reflected. Further, when MLC-6247 and R1011 (both manufactured by Merck) are contained as chiral materials in amounts of 4.20% by weight and 5.26% by weight, respectively, with respect to the total amount of the liquid crystal composition, light having a wavelength near 550 nm is emitted. It can be selectively reflected. Furthermore, when MLC-6247 and S1011 (both manufactured by Merck & Co., Inc.) are contained as chiral materials in an amount of 8.73 wt% and 2.36 wt%, respectively, with respect to the total amount of the liquid crystal composition, light having a wavelength near 660 nm is emitted. It can be selectively reflected.

このように、カイラル材の添加量(例えば約8〜40重量%)を調整することにより、選択反射する波長領域を変えることができ、減光シャッタ4として使用することができる。ただし、カイラル材の添加量は、ネマティック液晶およびカイラル材の合計の重量を基準として、例えば約10重量%〜約45重量%が望ましい。カイラル材の添加量が10重量%以下では、十分なメモリー性(すなわち、電圧印加をやめた後の、着色状態であった領域の着色状態の保持性、あるいは散乱状態であった領域の散乱状態の保持性)を得られない場合が生じ、45重量%以上では、室温でコレステリック相を示さなくなったり、固化する場合があるからである。なお、カイラル材の添加量は、15重量%〜40重量%がより望ましい。   Thus, by adjusting the amount of chiral material added (for example, about 8 to 40% by weight), the wavelength region for selective reflection can be changed, and the light reducing shutter 4 can be used. However, the addition amount of the chiral material is desirably about 10 wt% to about 45 wt%, for example, based on the total weight of the nematic liquid crystal and the chiral material. When the amount of the chiral material added is 10% by weight or less, sufficient memory properties (that is, the retention of the colored state in the colored state after the voltage application is stopped, or the scattering state in the scattered state) This is because there is a case where the cholesteric phase is not exhibited or solidified at room temperature at 45% by weight or more. In addition, as for the addition amount of a chiral material, 15 to 40 weight% is more desirable.

(3.映像表示装置の他の構成について)
図7は、映像表示装置1の他の構成を示す説明図である。上記した減光シャッタ4は、選択的に使用可能に複数設けられていてもよい。ただし、各減光シャッタ4が減光する特定波長域は、互いに異なっている(重複した波長域はない)とする。以下では、Rの波長域を特定波長域として減光する減光シャッタ4を、減光シャッタ4Rとする。また、Gの波長域を特定波長域として減光する減光シャッタ4を、減光シャッタ4Gとし、Bの波長域を特定波長域として減光する減光シャッタ4を、減光シャッタ4Bとする。
(3. Other configurations of the video display device)
FIG. 7 is an explanatory diagram showing another configuration of the video display device 1. A plurality of the dimming shutters 4 may be provided so as to be selectively usable. However, it is assumed that the specific wavelength regions in which the respective light-reducing shutters 4 are dimmed are different from each other (there are no overlapping wavelength regions). Hereinafter, the light reducing shutter 4 that reduces the light with the wavelength region of R as the specific wavelength region is referred to as a light reducing shutter 4R. Further, the light-reducing shutter 4 that dims with the G wavelength range as the specific wavelength range is referred to as a light-reducing shutter 4G, and the light-reducing shutter 4 that is dimmed with the B wavelength range as the specific wavelength range as the light-reducing shutter 4B. .

図7に示すように、透過率の低い特定波長域が異なる複数の減光シャッタ4R・4G・4Bを重ねて配置し、光路コンバイナ3として、R(635±10nm)、G(520±10nm)、B(465±10nm)の各色の映像光を回折反射するHOEを用いる。この構成において、減光シャッタ4R・4G・4Bのいずれかを選択的に使用することにより、映像光の各色に対応して視認性を向上させることが可能となる。つまり、表示素子2にてRGBのいずれかの色の映像光を生成し、光路コンバイナ3を介して光学瞳Eに導くことができる場合でも、用いる映像光の色に応じていずれか1つの減光シャッタ4の特定波長域の透過率を低下させることにより、異なる波長のそれぞれの映像光に対して、視認性を向上させることが可能となる。   As shown in FIG. 7, a plurality of light-reducing shutters 4R, 4G, and 4B having different specific wavelength regions with low transmittance are arranged to overlap each other, and R (635 ± 10 nm), G (520 ± 10 nm) are used as the optical path combiner 3. , B (465 ± 10 nm) HOE that diffracts and reflects video light of each color is used. In this configuration, by selectively using any one of the dimming shutters 4R, 4G, and 4B, it becomes possible to improve the visibility corresponding to each color of the image light. That is, even when image light of one of RGB colors is generated by the display element 2 and can be guided to the optical pupil E through the optical path combiner 3, any one of the reductions depending on the color of the image light used. By reducing the transmittance of the optical shutter 4 in a specific wavelength region, it is possible to improve the visibility with respect to each image light having a different wavelength.

このように、複数の減光シャッタ4R・4G・4Bを設けることにより、映像光の色(単色)が切り替わっても、その映像光の色に応じた減光シャッタ4を選択して使用することにより、映像光の各色に対応して外界光を減光することができ、映像光の各色に対応して視認性を向上させることが可能となる。したがって、複数の減光シャッタ4R・4G・4Bを設ける構成は、例えば光源としてRGBの各光を出射するLEDを用い、RGBのいずれかの光を表示素子2に照射して、表示素子2から単色光を映像光として出射する構成において非常に有効となる。また、映像光が単色ではなく、カラーであっても、全体的な映像の色調に応じて、特定の色のみ減光してもよい。例えば、ダイビングでの水中映像等を表示素子2に表示させる場合、その表示映像においては、全体的に青系が多くを占めている。このような場合には、Bの減光シャッタを用いて外界光の内B光のみを減光するだけでも、相応の視認性向上効果を得ることが可能である。   Thus, by providing a plurality of light-reducing shutters 4R, 4G, and 4B, even if the color (single color) of the image light is switched, the light-reducing shutter 4 corresponding to the color of the image light is selected and used. Accordingly, it is possible to reduce external light corresponding to each color of the image light, and it is possible to improve the visibility corresponding to each color of the image light. Therefore, in the configuration in which a plurality of light-reducing shutters 4R, 4G, and 4B are provided, for example, LEDs that emit RGB light as light sources are used, and any one of RGB light is applied to the display element 2 so that the display element 2 This is very effective in a configuration in which monochromatic light is emitted as image light. Even if the image light is not a single color but a color, only a specific color may be dimmed according to the overall color tone of the image. For example, when an underwater image or the like in diving is displayed on the display element 2, the blue image occupies most of the display image as a whole. In such a case, it is possible to obtain a corresponding improvement in visibility only by dimming only the B light of the external light using the B light reducing shutter.

(4.HMDに適用した具体例ついて)
次に、上述した映像表示装置1をHMDに適用したときの具体的な構成について説明する。
(4. Specific examples applied to HMD)
Next, a specific configuration when the video display device 1 described above is applied to an HMD will be described.

図8は、HMDに適用される映像表示装置11の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置11は、観察者に外界をシースルーで観察させるとともに、単色の映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものであり、上述した映像表示装置1(図1等参照)に対応している。この映像表示装置11は、映像表示部21と、接眼光学系31と、減光シャッタ41とを有して構成されている。映像表示部21は、光源22と、一方向拡散板23と、集光レンズ24と、LCD25とを有している。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 11 applied to the HMD. The video display device 11 allows the observer to observe the outside world through see-through, and displays a monochromatic image and provides it to the viewer as a virtual image. The video display device 11 (see FIG. 1 and the like) described above. It corresponds. The video display device 11 includes a video display unit 21, an eyepiece optical system 31, and a dimming shutter 41. The video display unit 21 includes a light source 22, a unidirectional diffuser plate 23, a condenser lens 24, and an LCD 25.

光源22は、中心波長が例えば520nmの緑の色光を出射するLEDで構成されている。一方向拡散板23は、光源22からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板23は、図8の紙面に垂直な方向(水平方向)には入射光を約40゜拡散させ、紙面に平行な方向(上記水平方向に垂直な方向)には入射光を約0.2゜拡散させる。集光レンズ24は、一方向拡散板23にて拡散された光を集光する照明光学系である。集光レンズ24は、上記拡散光が効率よく光学瞳Eを形成するように配置されている。LCD25は、映像信号に基づいて光源22からの光を各画素ごとに変調することにより、映像を表示する表示素子であり、例えばカラーフィルタを備えていない透過型の液晶表示素子で構成されている。LCD25は、上述した表示素子2(図1等参照)に対応している。   The light source 22 is configured by an LED that emits green color light having a central wavelength of, for example, 520 nm. The unidirectional diffuser plate 23 diffuses illumination light from the light source 22, but the degree of diffusion differs depending on the direction. More specifically, the unidirectional diffuser plate 23 diffuses incident light in a direction perpendicular to the paper surface (horizontal direction) of FIG. 8 by about 40 ° and in a direction parallel to the paper surface (a direction perpendicular to the horizontal direction). Diffuses incident light by about 0.2 °. The condenser lens 24 is an illumination optical system that condenses the light diffused by the unidirectional diffuser plate 23. The condenser lens 24 is arranged so that the diffused light efficiently forms the optical pupil E. The LCD 25 is a display element that displays an image by modulating light from the light source 22 for each pixel based on a video signal, and is configured by a transmissive liquid crystal display element that does not include a color filter, for example. . The LCD 25 corresponds to the display element 2 (see FIG. 1 and the like) described above.

一方、接眼光学系31は、LCD25からの映像光を光学瞳Eに導く一方、外界光を透過させて光学瞳Eに導くことで、光学瞳Eの位置にて、表示映像の虚像とともに外界をシースルーで観察させる。この接眼光学系31は、接合プリズム(接合光学部材)で構成され、テレセントリックな光学系を構成している。具体的には、接眼光学系31は、光学部材である接眼プリズム32と偏向プリズム33とを、光路コンバイナ34を挟んで接合してなっている。   On the other hand, the eyepiece optical system 31 guides the image light from the LCD 25 to the optical pupil E, and transmits the external light to the optical pupil E so that the external world is displayed together with the virtual image of the display image at the position of the optical pupil E. Let them see through. The eyepiece optical system 31 includes a cemented prism (a cemented optical member), and configures a telecentric optical system. Specifically, the eyepiece optical system 31 is formed by joining an eyepiece prism 32 and a deflection prism 33, which are optical members, with an optical path combiner 34 interposed therebetween.

接眼プリズム32と偏向プリズム33とは、接着剤で接合されている。接眼プリズム32は、平行平板の下端部を楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されており、LCD25からの映像光を内部で全反射させて導光する。この接眼プリズム32は、面32a・32b・32cを有している。面32aは、映像表示部21からの映像光が入射する入射面であり、面32b・32cは互いに対向する面である。このうち、面32bは、全反射面兼射出面となっている。   The eyepiece prism 32 and the deflection prism 33 are joined with an adhesive. The eyepiece prism 32 is formed in a shape in which the lower end portion of the parallel plate is wedge-shaped and the upper end portion is thickened, and guides the image light from the LCD 25 by totally reflecting it internally. The eyepiece prism 32 has surfaces 32a, 32b, and 32c. The surface 32a is an incident surface on which the image light from the image display unit 21 is incident, and the surfaces 32b and 32c are surfaces facing each other. Among these, the surface 32b is a total reflection surface and an emission surface.

偏向プリズム33は、平行平板の上端部を接眼プリズム32の下端部に沿った形状とすることによって、接眼プリズム32と一体となって略平行平板となるように構成されている。接眼プリズム32に偏向プリズム33を接合させない場合、外界光が接眼プリズム32の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム32を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム32に偏向プリズム33を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界光が接眼プリズム32の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム33でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   The deflection prism 33 is configured to be a substantially parallel flat plate integrated with the eyepiece prism 32 by forming the upper end portion of the parallel plate along the lower end portion of the eyepiece prism 32. When the deflecting prism 33 is not joined to the eyepiece prism 32, external light is refracted when passing through the wedge-shaped lower end portion of the eyepiece prism 32, so that the external field image observed through the eyepiece prism 32 is distorted. However, the deflection prism 33 is joined to the eyepiece prism 32 to form an integral substantially parallel plate, whereby the deflection when the external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 32 is canceled by the deflection prism 33. Can do. As a result, it is possible to prevent distortion in the external image observed through the see-through.

光路コンバイナ34は、接眼プリズム32内部で導光されたLCD25からの映像光を反射させて光学瞳Eに導くとともに、外界光を透過させて光学瞳Eに導く反射光学素子であり、例えば体積位相型で反射型のHOEで構成されている。このHOEは、特定の入射角で入射する例えば520±10nmの波長帯域の光を回折させる。光路コンバイナ34は、接眼プリズム32の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、接眼プリズム32と偏向プリズム33とで挟まれている。2つの透明部材(接眼プリズム32、偏向プリズム33)の間にHOEを形成することにより、HOEが外気に触れることがないので、光学性能を安定に保つことが可能となる。   The optical path combiner 34 is a reflective optical element that reflects the image light from the LCD 25 guided inside the eyepiece prism 32 and guides it to the optical pupil E, and transmits external light to the optical pupil E, for example, a volume phase. It is composed of a type and reflection type HOE. This HOE diffracts light in a wavelength band of, for example, 520 ± 10 nm that is incident at a specific incident angle. The optical path combiner 34 is attached to the inclined surface at the lower end of the eyepiece prism 32, and as a result, is sandwiched between the eyepiece prism 32 and the deflection prism 33. By forming the HOE between the two transparent members (the eyepiece prism 32 and the deflection prism 33), the HOE does not come into contact with the outside air, so that the optical performance can be kept stable.

減光シャッタ41は、外界光の透過率を低下させる減光手段であり、上述した減光シャッタ4(図1等参照)に対応するものである。ここでは、減光シャッタ41は、電圧印加によって480〜560nmの特定波長域の光の透過率を可変する液晶素子で構成されており、例えば上述したカイラルネマティック液晶を有している。減光シャッタ41は、光路コンバイナ34に対して光学瞳Eとは反対側に配置されている。   The dimming shutter 41 is a dimming unit that reduces the transmittance of external light, and corresponds to the above-described dimming shutter 4 (see FIG. 1 and the like). Here, the dimming shutter 41 is composed of a liquid crystal element that varies the transmittance of light in a specific wavelength region of 480 to 560 nm by applying a voltage, and includes, for example, the above-described chiral nematic liquid crystal. The dimming shutter 41 is disposed on the side opposite to the optical pupil E with respect to the optical path combiner 34.

上記の構成において、映像表示部21の光源22から出射された光(G光)は、一方向拡散板23にて拡散され、集光レンズ24にて集光されてLCD25に入射する。LCD25に入射した光は、映像信号に基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。このとき、LCD25には、緑の映像が表示される。   In the above configuration, light (G light) emitted from the light source 22 of the video display unit 21 is diffused by the unidirectional diffusion plate 23, condensed by the condenser lens 24, and enters the LCD 25. The light incident on the LCD 25 is modulated for each pixel based on the video signal and is emitted as video light. At this time, a green image is displayed on the LCD 25.

LCD25からの映像光は、接眼光学系31の接眼プリズム32の内部にその上端面(面32a)から入射し、対向する2つの面32b・32cで複数回全反射されて、光路コンバイナ34に入射する。光路コンバイナ34に入射した光はそこで回折反射され、面32bを介して射出され、光学瞳Eに達する。したがって、光学瞳Eの位置では、観察者は、LCD25に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。   The image light from the LCD 25 enters the eyepiece prism 32 of the eyepiece optical system 31 from its upper end surface (surface 32a), is totally reflected a plurality of times by the two opposing surfaces 32b and 32c, and enters the optical path combiner 34. To do. The light incident on the optical path combiner 34 is diffracted and reflected there, is emitted through the surface 32b, and reaches the optical pupil E. Therefore, at the position of the optical pupil E, the observer can observe an enlarged virtual image of the image displayed on the LCD 25.

一方、接眼プリズム32、偏向プリズム33および光路コンバイナ34は、外界光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界を観察することができる。したがって、LCD25に表示された映像の虚像は、外界の一部に重なって観察されることになる。以上のことから、光路コンバイナ34は、映像光と外界光とを同時に観察者の眼に導くコンバイナであると言える。   On the other hand, the eyepiece prism 32, the deflecting prism 33, and the optical path combiner 34 transmit almost all the external light, so that the observer can observe the external world. Therefore, the virtual image of the image displayed on the LCD 25 is observed while overlapping a part of the outside world. From the above, it can be said that the optical path combiner 34 is a combiner that guides the image light and the external light simultaneously to the eyes of the observer.

このとき、減光シャッタ41が透過率を低下させていない状態では、観察者は減光シャッタ41および光路コンバイナ34等を介して外界を通常通り観察することができる。一方、減光シャッタ41が透過率を低下させている状態では、外界光のうちで緑の映像光の波長域を含む緑の波長域(特定波長域)の光が減光シャッタ41にて減光されるので、光学瞳Eに入射する外界光は、緑の略補色である紫の色相にわずかに着色される。したがって、外界光の紫色と映像光の緑色との色相差および外界光が減光されることによる輝度差により、映像光の視認性が十分に向上する。   At this time, in a state where the light reducing shutter 41 does not reduce the transmittance, the observer can observe the outside world as usual through the light reducing shutter 41, the optical path combiner 34, and the like. On the other hand, in a state where the light reduction shutter 41 has reduced transmittance, light in the green wavelength range (specific wavelength range) including the wavelength range of green image light is reduced by the light reduction shutter 41 in the external light. Since the light is emitted, the external light incident on the optical pupil E is slightly colored in a purple hue which is a substantially complementary color of green. Accordingly, the visibility of the image light is sufficiently improved due to the hue difference between the purple of the external light and the green of the image light and the luminance difference due to the dimming of the external light.

以上のように、減光シャッタ41は、可視光領域のうち、緑の映像光の波長域を含む特定波長域のみ減光するので、外界光が明るい。さらに、外界光と映像光との輝度差だけでなく、外界光と映像光との色相差によっても映像の視認性を向上させることができるので、実際には上記特定波長域の減光率をそれほど大きくしなくても、視認性の向上を十分に達成できる。すなわち、外界光が明るく、かつ、外界光の着色が比較的少ない状態でも、高い映像の視認性を十分に得ることができる。   As described above, the dimming shutter 41 dimmes only in a specific wavelength region including the wavelength region of green image light in the visible light region, so that external light is bright. Furthermore, the visibility of the image can be improved not only by the luminance difference between the ambient light and the image light, but also by the hue difference between the ambient light and the image light. Even if it is not so large, the visibility can be sufficiently improved. That is, even when the external light is bright and the external light is relatively little colored, high image visibility can be sufficiently obtained.

また、接眼光学系31は、体積位相型で反射型のHOEからなる光路コンバイナ34を含んで構成されている。体積位相型で反射型のHOEは、回折効率が高く、しかも、回折効率ピークの半値波長幅が狭い。したがって、このようなHOEを用い、LCD25からの映像光をHOEにて回折反射させて光学瞳Eに導く構成とすることにより、明るい映像を観察させることができる。また、外界光の透過率も高くなるので、明るい外界を観察させることができる。   Further, the eyepiece optical system 31 includes an optical path combiner 34 composed of a volume phase type reflection type HOE. Volume phase type reflection type HOE has high diffraction efficiency, and the half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak is narrow. Therefore, a bright image can be observed by using such a HOE and adopting a configuration in which the image light from the LCD 25 is diffracted and reflected by the HOE and guided to the optical pupil E. In addition, since the transmittance of external light is increased, a bright external environment can be observed.

また、接眼プリズム32内での全反射を用いて映像光を導光する構成なので、通常の眼鏡レンズと同程度に厚さを薄く(例えば3mm程度に)することができ、接眼プリズム32を小型軽量にできるとともに、外界光の透過率が高くなり、外界を良好に観察することができる。また、LCD25を接眼光学系31の一端部側に配置する、つまり、視野の周辺に配置することが可能となり、広い外界視野角を確保することができる。   In addition, since the image light is guided using total reflection in the eyepiece prism 32, the thickness can be reduced to the same level as that of a normal spectacle lens (for example, about 3 mm), and the eyepiece prism 32 can be made compact. While being able to be lightweight, the transmittance of external light becomes high and the external environment can be observed well. Further, the LCD 25 can be disposed on one end side of the eyepiece optical system 31, that is, in the vicinity of the visual field, and a wide external field viewing angle can be ensured.

また、HOEはLCD25にて表示された映像を拡大する、軸非対称な正の光学パワーを有しており、接眼光学系31の少なくとも一部を構成しているので、接眼光学系31を小型に構成しながら、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて、装置を小型軽量にできるとともに、良好に収差補正された映像を観察することが可能となる。   The HOE has an axially asymmetric positive optical power for enlarging an image displayed on the LCD 25 and constitutes at least a part of the eyepiece optical system 31. Therefore, the eyepiece optical system 31 can be reduced in size. While configuring, it is possible to increase the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus, to reduce the size and weight of the apparatus, and to observe an image with good aberration correction.

また、光路コンバイナ34は、上述したように特定入射角の特定波長の光のみを回折させる体積位相型で反射型のHOEで構成されているので、LCD25からの映像光が、接眼プリズム32、偏向プリズム33および光路コンバイナ34を透過する外界光に影響を与えることがない。それゆえ、減光シャッタ41が透過率を低下させていない状態では、観察者は、光路コンバイナ34を介してLCD25の表示映像の虚像を観察しながら、接眼プリズム32、偏向プリズム33および光路コンバイナ34を介して外界を通常通りかつ明瞭に観察することができる。   Further, as described above, the optical path combiner 34 is composed of a volume phase type reflection type HOE that diffracts only light having a specific wavelength at a specific incident angle. The external light transmitted through the prism 33 and the optical path combiner 34 is not affected. Therefore, in a state where the light reduction shutter 41 does not reduce the transmittance, the observer observes the virtual image of the display image on the LCD 25 through the optical path combiner 34, and the eyepiece prism 32, the deflection prism 33, and the optical path combiner 34. It is possible to observe the outside world as usual and clearly.

なお、以上では、光源22がG光を出射し、減光シャッタ41がGの波長域を特定波長域として減光する例について説明したが、光源22がR光やB光を出射する場合には、減光シャッタ41はRの波長域やBの波長域を特定波長域として減光するように構成されればよい。   In the above description, an example in which the light source 22 emits G light and the dimming shutter 41 attenuates using the G wavelength region as a specific wavelength region has been described. However, when the light source 22 emits R light or B light. The dimming shutter 41 may be configured so as to be dimmed with the wavelength region of R or the wavelength region of B as a specific wavelength region.

次に、上記の映像表示装置11が適用されるHMDについて説明する。図9(a)(b)(c)は、それぞれ、上記HMDの概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。HMDは、上述した映像表示装置11と、それを支持する支持手段12とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方(例えば左眼用)のレンズを取り除いたような外観となっている。映像表示装置11において、眼鏡の右眼用レンズに相当する部分は、接眼プリズム32と偏向プリズム33との貼り合わせによって構成されている。   Next, an HMD to which the video display device 11 is applied will be described. FIGS. 9A, 9B, and 9C are a plan view, a front view, and a side view showing a schematic configuration of the HMD, respectively. The HMD includes the above-described video display device 11 and support means 12 that supports the video display device 11, and as a whole looks like one lens (for example, for the left eye) is removed from general glasses. Yes. In the video display device 11, a portion corresponding to the right eye lens of the glasses is configured by bonding the eyepiece prism 32 and the deflection prism 33.

映像表示装置11の減光シャッタ41は、観察者の両眼の前方に位置し、両眼に入射する外界光の透過率をともに低下させる形状で形成されているが、映像表示装置11を配置した側の片眼の眼前にのみ配置して、片眼に入射する外界光の透過率を低下させるようにしてもよい。   The dimming shutter 41 of the video display device 11 is located in front of both eyes of the observer and is formed in a shape that reduces both the transmittances of external light incident on both eyes, but the video display device 11 is disposed. It may be arranged only in front of one eye on the one side so as to reduce the transmittance of external light incident on one eye.

支持手段12は、映像表示装置11を観察者の眼前(例えば右眼の前)で支持するものであり、ブリッジ13と、フレーム14と、テンプル15と、鼻当て16と、ケーブル17とを有している。なお、フレーム14、テンプル15および鼻当て16は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム14R、左フレーム14L、右テンプル15R、左テンプル15L、右鼻当て16R、左鼻当て16Lのように表現するものとする。   The support unit 12 supports the video display device 11 in front of the observer's eyes (for example, in front of the right eye), and includes a bridge 13, a frame 14, a temple 15, a nose pad 16, and a cable 17. is doing. The frame 14, the temple 15 and the nose pad 16 are provided as a pair on the left and right sides. However, when these are distinguished from each other, the right frame 14R, the left frame 14L, the right temple 15R, the left temple 15L and the right nose pad 16R. The left nose pad 16L is expressed.

映像表示装置11の一端は、ブリッジ13に支持されている。このブリッジ13は、映像表示装置11のほかにも、左フレーム14L、鼻当て16および減光シャッタ41を支持している。左フレーム14Lは、左テンプル15Lを回動可能に支持している。一方、映像表示装置11の他端は、右フレーム14Rに支持されている。右フレーム14Rにおいて映像表示装置11の支持側とは反対側端部は、右テンプル15Rを回動可能に支持している。ケーブル17は、外部信号(例えば映像信号、制御信号)や電力を映像表示装置11に供給するための配線であり、右フレーム14Rおよび右テンプル15Rに沿って設けられている。   One end of the video display device 11 is supported by the bridge 13. In addition to the video display device 11, the bridge 13 supports the left frame 14 </ b> L, the nose pad 16, and the dimming shutter 41. The left frame 14L supports the left temple 15L so as to be rotatable. On the other hand, the other end of the video display device 11 is supported by the right frame 14R. An end of the right frame 14R opposite to the support side of the video display device 11 supports the right temple 15R so as to be rotatable. The cable 17 is a wiring for supplying an external signal (for example, a video signal, a control signal) and power to the video display device 11, and is provided along the right frame 14R and the right temple 15R.

観察者がHMDを使用するときは、右テンプル15Rおよび左テンプル15Lを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て16を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにHMDを観察者の頭部に装着する。この状態で映像表示装置11にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置11の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置11を介して外界をシースルーで観察することができる。   When the observer uses the HMD, the right temple 15R and the left temple 15L are brought into contact with the right and left heads of the observer, and the nose pad 16 is placed on the nose of the observer so as to wear general glasses. The HMD is attached to the observer's head. When an image is displayed on the image display device 11 in this state, the observer can observe the image on the image display device 11 as a virtual image and can observe the outside world through the image display device 11 in a see-through manner. it can.

このように、映像表示装置11が支持手段12で支持されているので、観察者は映像表示装置11から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。   As described above, since the video display device 11 is supported by the support means 12, the observer can observe the video provided from the video display device 11 in a hands-free manner. In addition, since the observation direction of the observer is determined in one direction, there is an advantage that the observer can easily search for a display image even in a dark environment.

なお、HMDは、観察者の両眼の眼前に2個の映像表示装置11を配置した構成であってもよい。この場合、上記の減光シャッタ41は、観察者の両眼の前方に位置し、両眼に入射する外界光の透過率をともに低下させればよい。   The HMD may have a configuration in which two video display devices 11 are arranged in front of both eyes of the observer. In this case, the above-described dimming shutter 41 may be positioned in front of both eyes of the observer and reduce both the transmittance of external light incident on both eyes.

(5.補足)
本実施形態で説明した構成を適宜組み合わせて映像表示装置ひいてはHMDを構成することも勿論可能である。例えば、複数の減光シャッタ4を設ける図7の構成を図8の映像表示装置11に適用することも勿論可能である。
(5. Supplement)
Of course, it is possible to appropriately combine the configurations described in the present embodiment to configure the video display device and thus the HMD. For example, it is of course possible to apply the configuration of FIG. 7 provided with a plurality of light reducing shutters 4 to the video display device 11 of FIG.

本実施形態で説明した映像表示装置は、例えばヘッドアップディスプレイ(HUD)にも適用することも可能である。   The video display device described in the present embodiment can also be applied to, for example, a head-up display (HUD).

本発明は、HMDやHUDに利用可能である。   The present invention is applicable to HMD and HUD.

本発明の映像表示装置の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the video display apparatus of this invention. (a)は、上記映像表示装置の減光シャッタの透過率の波長特性を示す説明図であり、(b)は、外界光の波長特性を示す説明図であり、(c)は、光学瞳に入射する映像光と外界光の波長特性を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the wavelength characteristic of the transmittance | permeability of the light reduction shutter of the said video display apparatus, (b) is explanatory drawing which shows the wavelength characteristic of external light, (c) is an optical pupil. It is explanatory drawing which shows the wavelength characteristic of the image light and external light which inject into A. (a)は、上記映像表示装置において、光路コンバイナで回折反射されて光学瞳の中心および上下端に入射する映像光の光路を模式的に示す説明図であり、(b)は、上記光路コンバイナを構成するHOEの回折効率の波長特性を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows typically the optical path of the image light which is diffracted and reflected by the optical path combiner in the said video display apparatus, and injects into the center and upper-lower end of an optical pupil, (b) is the said optical path combiner. It is explanatory drawing which shows the wavelength characteristic of the diffraction efficiency of HOE which comprises. (a)は、LCh表色系の模式的な説明図であり、(b)は、LCh表色系における映像光と外界光との色相角度差を示す説明図である。(A) is typical explanatory drawing of LCh color system, (b) is explanatory drawing which shows the hue angle difference of the image light and external light in a LCh color system. 上記減光シャッタの一構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one structural example of the said light reduction shutter. 上記減光シャッタの透過率の変化特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change characteristic of the transmittance | permeability of the said light reduction shutter. 映像表示装置の他の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other structure of a video display apparatus. HMDに適用される映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus applied to HMD. (a)(b)(c)は、それぞれ、上記HMDの概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。(A) (b) (c) is the top view, front view, and side view which respectively show the structure of the outline of the said HMD. 一定の大きさを持つ光学瞳に入射する映像光と外界光の光路を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the optical path of the image light and external light which inject into an optical pupil with a fixed magnitude | size.

符号の説明Explanation of symbols

1 映像表示装置
2 表示素子
3 光路コンバイナ
4 減光シャッタ(減光手段)
4R 減光シャッタ(減光手段)
4G 減光シャッタ(減光手段)
4B 減光シャッタ(減光手段)
4c 液晶層(ゲストホスト液晶、カイラルネマティック液晶)
11 映像表示装置
12 支持手段
25 LCD(表示素子)
31 接眼光学系
32 接眼プリズム(光学部材)
34 光路コンバイナ(ホログラム光学素子)
E 光学瞳
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image display apparatus 2 Display element 3 Optical path combiner 4 Dimming shutter (dimming means)
4R dimming shutter (dimming means)
4G dimming shutter (dimming means)
4B dimming shutter (dimming means)
4c Liquid crystal layer (guest host liquid crystal, chiral nematic liquid crystal)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Image display apparatus 12 Support means 25 LCD (display element)
31 Eyepiece optical system 32 Eyepiece prism (optical member)
34 Optical path combiner (hologram optical element)
E Optical pupil

Claims (14)

映像を表示する表示素子と、
上記表示素子からの映像光を反射させて光学瞳に導くとともに、外界光を透過させて光学瞳に導く光路コンバイナとを備え、光学瞳の位置にて、表示映像とともに外界をシースルーで観察させる映像表示装置であって、
上記光路コンバイナに対して光学瞳とは反対側に配置され、外界光の透過率を低下させる減光手段をさらに備え、
上記減光手段は、可視光領域のうち、光学瞳に入射する映像光と同じ波長域を含む特定波長域の透過率を、特定波長域以外の波長域の透過率よりも低下させることを特徴とする映像表示装置。
A display element for displaying an image;
An image that reflects the image light from the display element and guides it to the optical pupil, and transmits an external light to the optical pupil to guide it to the optical pupil. A display device,
The light path combiner is disposed on the opposite side of the optical pupil, and further comprises a dimming means for reducing the transmittance of external light,
The dimming means is characterized in that, in the visible light region, the transmittance in a specific wavelength region including the same wavelength region as the image light incident on the optical pupil is lowered than the transmittance in a wavelength region other than the specific wavelength region. A video display device.
上記減光手段における外界光の透過率が最大値と最小値との中間値となる波長幅をW1とし、光学瞳に入射する映像光の最大強度の半値波長幅をW2とすると、
2<W1≦100nm
であることを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。
When external light transmittance in the dimming means a wavelength width becomes an intermediate value between the maximum value and the minimum value is set to W 1, the half-value wavelength width of the maximum intensity of the image light entering the optical pupil and W 2,
W 2 <W 1 ≦ 100 nm
The video display device according to claim 1, wherein:
上記光路コンバイナは、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であり、
上記ホログラム光学素子の回折反射波長域は、上記特定波長域に含まれており、
上記ホログラム光学素子の回折効率の半値波長幅をW3とすると、
3W3≦W1
であることを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。
The optical path combiner is a volume phase type reflection type hologram optical element,
The diffraction reflection wavelength range of the hologram optical element is included in the specific wavelength range,
When the half-value wavelength width of the diffraction efficiency of the hologram optical element is W 3 ,
3W 3 ≦ W 1
The video display device according to claim 2, wherein:
上記特定波長域は、赤、緑、青のいずれかの波長域であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 1, wherein the specific wavelength range is one of red, green, and blue. 上記減光手段は、標準光源の一つであるC光源の光が入射したときに、透過光の彩度が10以上となることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の映像表示装置。   5. The image according to claim 1, wherein the dimming means has a saturation of transmitted light of 10 or more when light from a C light source which is one of standard light sources is incident. Display device. 光学瞳に入射する外界光と、光学瞳に入射する映像光との、LCh表色系における色相角度差をΔhとすると、
45°≦Δh≦315°
であることを特徴とする請求項5に記載の映像表示装置。
If the hue angle difference in the LCh color system between the external light incident on the optical pupil and the image light incident on the optical pupil is Δh,
45 ° ≦ Δh ≦ 315 °
The video display device according to claim 5, wherein:
135°≦Δh≦225°
であることを特徴とする請求項6に記載の映像表示装置。
135 ° ≦ Δh ≦ 225 °
The video display device according to claim 6, wherein:
上記減光手段における上記特定波長域の透過率が可変であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 1, wherein the transmittance of the specific wavelength region in the dimming means is variable. 上記減光手段は、ゲストホスト液晶を用いた液晶素子であることを特徴とする請求項8に記載の映像表示装置。   9. The video display device according to claim 8, wherein the dimming means is a liquid crystal element using guest-host liquid crystal. 上記減光手段は、カイラルネマティック液晶を用いた液晶素子であることを特徴とする請求項8に記載の映像表示装置。   9. The image display device according to claim 8, wherein the dimming means is a liquid crystal element using chiral nematic liquid crystal. 上記減光手段は、選択的に使用可能に複数設けられており、
各減光手段の上記特定波長域は、互いに異なっていることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載の映像表示装置。
A plurality of the dimming means are provided so as to be selectively usable.
The video display device according to claim 1, wherein the specific wavelength ranges of the dimming units are different from each other.
上記表示素子からの映像光を内部で全反射させて導光する光学部材をさらに有しており、
上記光路コンバイナは、体積位相型で反射型のホログラム光学素子であり、
上記ホログラム光学素子は、上記光学部材内部を導光される上記表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の映像表示装置。
It further has an optical member that guides the image light from the display element by totally reflecting it inside,
The optical path combiner is a volume phase type reflection type hologram optical element,
12. The image display device according to claim 1, wherein the hologram optical element guides the image light from the display element guided through the optical member to the optical pupil by diffracting and reflecting the image light. .
上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系の少なくとも一部を構成していることを特徴とする請求項12に記載の映像表示装置。   The hologram optical element has a positive optical power that is axisymmetric and constitutes at least a part of an eyepiece optical system that guides image light from the display element to an optical pupil. 12. The video display device according to 12. 請求項1から13のいずれかに記載の映像表示装置と、
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
A video display device according to any one of claims 1 to 13,
A head-mounted display comprising: support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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